统计物理 · 第二部分 统计热力学 · 第 2 章

统计描述的基础:微观态、宏观态与数学工具

Foundations of the Statistical Description: Microstates, Macrostates and Mathematical Tools
已完成讲义更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0
本章目标

(1) 理解"微观态"与"宏观态"的区别,以及为什么粒子数巨大使统计规律变得极其确定;(2) 掌握后面反复使用的数学工具;(3) 学会在量子力学与经典力学中"数微观态"。

§2.1为什么需要统计方法

1 mol 气体约含 6×10236\times10^{23} 个分子。要用力学完全描述它,需要约 3.6×10243.6\times10^{24} 个坐标和动量,并求解同样数量的耦合运动方程——这既不可能,也没有必要:宏观测量(压强、温度、热容……)只对巨量分子的平均行为敏感。

统计力学的策略是:放弃追踪精确的微观运动,转而为各种可能的微观状态赋予概率,用平均值描述宏观量。之所以可行,是因为当粒子数 NN 极大时,宏观量的相对涨落约为 N−1/2∼10−12N^{-1/2}\sim10^{-12},统计"预言"几乎是确定的。下面用一个最简单的模型来说明这一点。

§2.2微观态与宏观态:一个玩具模型

考虑 NN 个相互独立的"两态单元"(例如自旋,朝上 ↑ 或朝下 ↓;也可以想象成 NN 枚硬币)。

  • 微观态:完整列出每个单元的状态 (s1,s2,…,sN)(s_1, s_2, \dots, s_N),共有 2N2^N 个。
  • 宏观态:只关心朝上的单元数 nn(它决定总磁矩这类宏观量),不关心具体是哪几个朝上。

设每个单元独立地以概率 1/21/2 朝上或朝下,则每个微观态的概率都是 2−N2^{-N}(这已经预示了第3章的"等概率原理")。宏观态 nn 所包含的微观态数为

Ω(n)=(Nn)=N!n! (N−n)!(2.1)\Omega(n) = \binom{N}{n} = \frac{N!}{n!\,(N-n)!} \tag{2.1}
组合数

从 NN 个可区分的位置中选出 nn 个(不计次序)的方式数为 (Nn)\binom Nn。推导:按次序依次挑选有 N(N−1)⋯(N−n+1)=N!/(N−n)!N(N-1)\cdots(N-n+1) = N!/(N-n)! 种方式,而同一组 nn 个位置被不同次序重复计了 n!n! 次,故再除以 n!n!。(详见附录 C4。)

宏观态 nn 出现的概率是 P(n)=Ω(n)/2NP(n) = \Omega(n)/2^N。例如 N=4N = 4 时,n=0,1,2,3,4n = 0,1,2,3,4 对应的 Ω\Omega 为 1,4,6,4,11,4,6,4,1:n=2n=2 最可能。

平均值与涨落。令 xi=1x_i = 1(第 ii 个朝上)或 00(朝下),则 n=∑ixin = \sum_i x_i。每个 xix_i 满足 ⟨xi⟩=1/2\langle x_i\rangle = 1/2,⟨xi2⟩=1/2\langle x_i^2\rangle = 1/2,故方差 Var(xi)=⟨xi2⟩−⟨xi⟩2=1/4\mathrm{Var}(x_i) = \langle x_i^2\rangle - \langle x_i\rangle^2 = 1/4。

期望、方差与独立性

期望是线性的:⟨∑ixi⟩=∑i⟨xi⟩\langle\sum_i x_i\rangle = \sum_i\langle x_i\rangle(不需要独立)。方差 Var(X)=⟨(X−⟨X⟩)2⟩=⟨X2⟩−⟨X⟩2\mathrm{Var}(X) = \langle (X - \langle X\rangle)^2\rangle = \langle X^2\rangle - \langle X\rangle^2。若 XX、YY 独立,则 ⟨XY⟩=⟨X⟩⟨Y⟩\langle XY\rangle = \langle X\rangle\langle Y\rangle。(详见附录 C2、C3,和的方差见 §C3.5。)

于是 ⟨n⟩=N/2\langle n\rangle = N/2;而

Var(n)=⟨(∑i(xi−12))2⟩=∑i∑j⟨(xi−12)(xj−12)⟩=∑i⟨(xi−12)2⟩=N4\mathrm{Var}(n) = \Big\langle \Big(\sum_i (x_i - \tfrac12)\Big)^2\Big\rangle = \sum_{i}\sum_{j}\big\langle (x_i-\tfrac12)(x_j-\tfrac12)\big\rangle = \sum_i \big\langle (x_i - \tfrac12)^2\big\rangle = \frac N4

其中 i≠ji\ne j 的交叉项由独立性化为 ⟨xi−12⟩⟨xj−12⟩=0\langle x_i - \frac12\rangle\langle x_j-\frac12\rangle = 0。所以

⟨n⟩=N2,σn≡Var(n)=N2,σn⟨n⟩=1N(2.2)\langle n\rangle = \frac N2,\qquad \sigma_n \equiv \sqrt{\mathrm{Var}(n)} = \frac{\sqrt N}{2},\qquad \frac{\sigma_n}{\langle n\rangle} = \frac{1}{\sqrt N} \tag{2.2}

N=100N = 100 时相对涨落为 10%;N=1020N = 10^{20} 时只有 10−1010^{-10}。分布的具体形状将在 §2.4 用下面的数学工具求出。

§2.3数学工具箱

2.3.1高斯积分

设 a>0a>0,令 I(a)=∫−∞∞e−ax2dxI(a) = \int_{-\infty}^{\infty}e^{-ax^2}dx。这个积分无法用初等原函数直接算,但它的平方可以:

I2=∫−∞∞ ⁣∫−∞∞e−a(x2+y2) dx dy=∫02π ⁣dθ∫0∞e−ar2 r dr=2π[−e−ar22a]0∞=πaI^2 = \int_{-\infty}^{\infty}\!\int_{-\infty}^{\infty} e^{-a(x^2+y^2)}\,dx\,dy = \int_0^{2\pi}\!d\theta\int_0^\infty e^{-ar^2}\,r\,dr = 2\pi\left[-\frac{e^{-ar^2}}{2a}\right]_0^\infty = \frac{\pi}{a}
二重积分与极坐标

在极坐标 x=rcos⁡θx = r\cos\theta,y=rsin⁡θy = r\sin\theta 下,面积元 dx dy=r dr dθdx\,dy = r\,dr\,d\theta(因子 rr 是变换的雅可比行列式)。整个平面对应 r∈[0,∞)r\in[0,\infty),θ∈[0,2π)\theta\in[0,2\pi)。(详见附录 A6,特别是 §A6.2。)

∫−∞∞e−ax2dx=πa(2.3)\int_{-\infty}^{\infty}e^{-ax^2}dx = \sqrt{\frac{\pi}{a}} \tag{2.3}

对参数 aa 求导可得各阶矩:

积分号下求导

当被积函数及其对参数的偏导数足够"好"(连续且积分一致收敛,此处满足)时,dda∫f(x,a) dx=∫∂f∂a dx\frac{d}{da}\int f(x,a)\,dx = \int\frac{\partial f}{\partial a}\,dx。(详见附录 A7,特别是 §A7.1、§A7.3。)

由 ∂ae−ax2=−x2e−ax2\partial_a e^{-ax^2} = -x^2e^{-ax^2},得 ∫x2e−ax2dx=−dI/da=π2a−3/2\int x^2 e^{-ax^2}dx = -dI/da = \frac{\sqrt\pi}{2}a^{-3/2};再求一次导得 x4x^4 的积分:

∫−∞∞x2e−ax2dx=12aπa,∫−∞∞x4e−ax2dx=34a2πa(2.4)\int_{-\infty}^{\infty}x^2e^{-ax^2}dx = \frac{1}{2a}\sqrt{\frac{\pi}{a}},\qquad \int_{-\infty}^{\infty}x^4e^{-ax^2}dx = \frac{3}{4a^2}\sqrt{\frac{\pi}{a}} \tag{2.4}

xx 的奇次幂的积分因被积函数为奇函数而为零。

高斯分布。概率密度

p(x)=12πσ2exp⁡[−(x−x0)22σ2](2.5)p(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}}\exp\left[-\frac{(x-x_0)^2}{2\sigma^2}\right] \tag{2.5}

称为均值 x0x_0、方差 σ2\sigma^2 的高斯(正态)分布。验证:令 y=x−x0y = x - x_0,a=1/(2σ2)a = 1/(2\sigma^2),由 (2.3) 得 ∫p dx=1\int p\,dx = 1;由奇函数性质 ⟨x−x0⟩=0\langle x - x_0\rangle = 0;由 (2.4),⟨(x−x0)2⟩=1/(2a)=σ2\langle (x-x_0)^2\rangle = 1/(2a) = \sigma^2。

概率密度与正态分布

连续随机变量 xx 落在 [x,x+dx][x,x+dx] 内的概率是 p(x) dxp(x)\,dx;任意函数的平均 ⟨g(x)⟩=∫g(x) p(x) dx\langle g(x)\rangle = \int g(x)\,p(x)\,dx。(详见附录 C1、C5。)

2.3.2Γ 函数

Γ(s)≡∫0∞ts−1e−t dt(s>0)(2.6)\Gamma(s) \equiv \int_0^\infty t^{s-1}e^{-t}\,dt\qquad(s>0) \tag{2.6}

分部积分:Γ(s+1)=∫0∞tse−tdt=[−tse−t]0∞+s∫0∞ts−1e−tdt=s Γ(s)\Gamma(s+1) = \int_0^\infty t^s e^{-t}dt = \left[-t^se^{-t}\right]_0^\infty + s\int_0^\infty t^{s-1}e^{-t}dt = s\,\Gamma(s)。又 Γ(1)=∫0∞e−tdt=1\Gamma(1) = \int_0^\infty e^{-t}dt = 1,所以对正整数 nn:

Γ(s+1)=s Γ(s),Γ(n+1)=n!(2.7)\Gamma(s+1) = s\,\Gamma(s),\qquad \Gamma(n+1) = n! \tag{2.7}

令 t=x2t = x^2:Γ(12)=∫0∞t−1/2e−tdt=2∫0∞e−x2dx=π\Gamma(\tfrac12) = \int_0^\infty t^{-1/2}e^{-t}dt = 2\int_0^\infty e^{-x^2}dx = \sqrt\pi(用 (2.3))。进而 Γ(32)=12π\Gamma(\tfrac32) = \tfrac12\sqrt\pi,Γ(52)=34π\Gamma(\tfrac52) = \tfrac34\sqrt\pi。

两个常用积分(分别令 t=axt = ax 和 t=ax2t = ax^2 换元即得):

∫0∞xs−1e−ax dx=Γ(s)as(2.8)\int_0^\infty x^{s-1}e^{-ax}\,dx = \frac{\Gamma(s)}{a^s} \tag{2.8}
∫0∞xne−ax2 dx=Γ(n+12)2 a(n+1)/2(2.9)\int_0^\infty x^n e^{-ax^2}\,dx = \frac{\Gamma\left(\frac{n+1}{2}\right)}{2\,a^{(n+1)/2}} \tag{2.9}

例如 (2.9) 中 n=1n = 1 给出 1/(2a)1/(2a),n=3n = 3 给出 1/(2a2)1/(2a^2),n=4n=4 给出 3π8a−5/2\frac{3\sqrt\pi}{8}a^{-5/2}。

2.3.3斯特林公式与拉普拉斯方法

统计力学中到处是 N!N!(N∼1023N\sim10^{23}),需要它的近似式。

粗略版本:

ln⁡N!=∑k=1Nln⁡k≈∫1Nln⁡x dx=[xln⁡x−x]1N=Nln⁡N−N+1\ln N! = \sum_{k=1}^N \ln k \approx \int_1^N\ln x\,dx = \big[x\ln x - x\big]_1^N = N\ln N - N + 1
用积分近似求和

若 f(x)f(x) 在相邻整数之间变化很小,则 ∑kf(k)≈∫f(x) dx\sum_k f(k)\approx\int f(x)\,dx。ln⁡x\ln x 在 xx 较大时变化极慢,所以近似很好。(详见 §A10.5–§A10.6。)

精确版本(拉普拉斯方法)。由 (2.7),N!=Γ(N+1)=∫0∞tNe−tdt=∫0∞eg(t)dtN! = \Gamma(N+1) = \int_0^\infty t^Ne^{-t}dt = \int_0^\infty e^{g(t)}dt,其中 g(t)=Nln⁡t−tg(t) = N\ln t - t。

  • 求极大:g′(t)=N/t−1=0g'(t) = N/t - 1 = 0,得 t0=Nt_0 = N;
  • 二阶导:g′′(t)=−N/t2g''(t) = -N/t^2,故 g′′(t0)=−1/Ng''(t_0) = -1/N;
  • 由泰勒展开(提示 A3):g(t)≈Nln⁡N−N−(t−N)2/(2N)g(t)\approx N\ln N - N - (t-N)^2/(2N)。

被积函数是以 t=Nt = N 为中心、宽度约 N\sqrt N 的尖峰,把积分下限从 0 延拓到 −∞-\infty 引起的误差可以忽略(约 e−N/2e^{-N/2} 量级)。用 (2.3)(取 a=1/(2N)a = 1/(2N)):

N!≈NNe−N2πN(2.10)N! \approx N^Ne^{-N}\sqrt{2\pi N} \tag{2.10}
ln⁡N!≈Nln⁡N−N+12ln⁡(2πN)≈Nln⁡N−N(N≫1)(2.11)\ln N! \approx N\ln N - N + \tfrac12\ln(2\pi N) \approx N\ln N - N\qquad(N\gg1) \tag{2.11}

数值检验:N=10N = 10 时 ln⁡10!=15.104\ln 10! = 15.104,Nln⁡N−N=13.026N\ln N - N = 13.026,加上 12ln⁡(2πN)\frac12\ln(2\pi N) 后为 15.09615.096。N=1023N = 10^{23} 时 Nln⁡N−N≈5.2×1024N\ln N - N\approx 5.2\times10^{24},而 12ln⁡(2πN)≈27\frac12\ln(2\pi N)\approx 27,完全可以忽略。

另一个常用结果:ln⁡N!−ln⁡(N−1)!=ln⁡N\ln N! - \ln(N-1)! = \ln N 严格成立;把 NN 当作连续变量时它就是

dln⁡N!dN≈ln⁡N(2.12)\frac{d\ln N!}{dN} \approx \ln N \tag{2.12}

(这也正是 Nln⁡N−NN\ln N - N 的导数。)

拉普拉斯方法的一般形式。设 f(x)f(x) 在 x0x_0 处有唯一极大(f′′(x0)<0f''(x_0)<0),N≫1N\gg1。重复上面的步骤得

∫eNf(x) dx≈eNf(x0)2πN∣f′′(x0)∣,ln⁡∫eNf(x)dx=Nf(x0)+O(ln⁡N)(2.13)\int e^{Nf(x)}\,dx \approx e^{Nf(x_0)}\sqrt{\frac{2\pi}{N|f''(x_0)|}},\qquad \ln\int e^{Nf(x)}dx = Nf(x_0) + O(\ln N) \tag{2.13}
要点

当指数中含有大数 NN 时,积分(或求和)完全由被积函数的极大值主导;取对数后,除极大值外的一切贡献只是 O(ln⁡N)O(\ln N) 的修正,相对于 O(N)O(N) 的主项可以忽略。这是统计力学中最重要的技术性事实之一(§3.3、§3.4、§4.4 都会用到)。

2.3.4高维球的体积

nn 维空间中半径为 RR 的球的体积必然具有 Vn(R)=CnRnV_n(R) = C_nR^n 的形式(长度放大 λ\lambda 倍,nn 维体积放大 λn\lambda^n 倍)。为求 CnC_n,用两种方法计算 In=∫Rne−(x12+⋯+xn2) dnxI_n = \int_{\mathbb R^n}e^{-(x_1^2+\cdots+x_n^2)}\,d^nx:

  1. 被积函数是 nn 个因子的乘积,由 (2.3):In=(∫e−x2dx)n=πn/2I_n = \left(\int e^{-x^2}dx\right)^n = \pi^{n/2}。
  2. 按"球壳"积分:半径在 [r,r+dr][r,r+dr] 之间的球壳体积为 dVn=nCnrn−1drdV_n = nC_nr^{n-1}dr,于是 In=nCn∫0∞rn−1e−r2dr=nCn⋅12Γ(n2)=CnΓ(n2+1)I_n = nC_n\int_0^\infty r^{n-1}e^{-r^2}dr = nC_n\cdot\frac12\Gamma(\frac n2) = C_n\Gamma(\frac n2 + 1)(用了 (2.9) 与 (2.7))。

比较两式:

Vn(R)=πn/2Γ(n2+1)Rn(2.14)V_n(R) = \frac{\pi^{n/2}}{\Gamma\left(\frac n2+1\right)}R^n \tag{2.14}

检验:n=2n = 2 给出 πR2\pi R^2;n=3n = 3 给出 π3/2(3/4)πR3=43πR3\frac{\pi^{3/2}}{(3/4)\sqrt\pi}R^3 = \frac43\pi R^3。

高维球的一个惊人性质:厚度为 ϵR\epsilon R 的表面薄层所占的体积分数为 1−(1−ϵ)n≈1−e−nϵ1-(1-\epsilon)^n \approx 1 - e^{-n\epsilon}(用了 ln⁡(1−ϵ)≈−ϵ\ln(1-\epsilon)\approx-\epsilon)。若 n=3×1023n = 3\times10^{23},即使 ϵ=10−20\epsilon = 10^{-20},这个分数也是 1−e−3000≈11 - e^{-3000}\approx 1。高维球的体积几乎全部集中在表面附近。§3.4 将用到这一点。

§2.4回到玩具模型:二项分布的高斯极限

现在求 (2.1) 在 N≫1N\gg1 时的形状。令 f(n)=ln⁡Ω(n)=ln⁡N!−ln⁡n!−ln⁡(N−n)!f(n) = \ln\Omega(n) = \ln N! - \ln n! - \ln(N-n)!,把 nn 当作连续变量,用 (2.12):

f′(n)=−ln⁡n+ln⁡(N−n),f′′(n)=−1n−1N−nf'(n) = -\ln n + \ln(N-n),\qquad f''(n) = -\frac1n - \frac1{N-n}

在 n0=N/2n_0 = N/2 处 f′(n0)=0f'(n_0) = 0(极大值),f′′(n0)=−4/Nf''(n_0) = -4/N。泰勒展开到二阶:f(n)≈f(N/2)−2N(n−N/2)2f(n)\approx f(N/2) - \frac{2}{N}(n-N/2)^2,所以 Ω(n)≈Ω(N/2) e−2(n−N/2)2/N\Omega(n)\approx\Omega(N/2)\,e^{-2(n-N/2)^2/N}。再归一化(用 (2.3);也可以直接用 (2.10) 验证 Ω(N/2)/2N≈2/πN\Omega(N/2)/2^N\approx\sqrt{2/\pi N}),得

P(n)≈2πNexp⁡[−2 (n−N/2)2N](2.15)P(n)\approx\sqrt{\frac{2}{\pi N}}\exp\left[-\frac{2\,(n-N/2)^2}{N}\right] \tag{2.15}

与 (2.5) 对比:这正是均值 N/2N/2、方差 N/4N/4 的高斯分布,与 (2.2) 一致。

二项分布 P(n)/P(N/2)P(n)/P(N/2),(2.1)高斯近似 (2.15)
P(n)/Pmax⁡P(n)/P_{\max}
n/Nn/N
σn=N/2\sigma_n = \sqrt N/2
—
σn/⟨n⟩=1/N\sigma_n/\langle n\rangle = 1/\sqrt N
—
P(∣n/N−12∣>0.05)P\left(\left\lvert n/N - \tfrac12\right\rvert > 0.05\right)
—
图 2.1NN 个两态单元中有 nn 个朝上的概率,横轴取比例 n/Nn/N,纵轴除以峰值。NN 增大时分布按 N−1/2N^{-1/2} 变窄,并越来越接近高斯分布;偏离 N/2N/2 超过 5%5\% 的概率下降得极快。
中心极限定理

大量独立随机变量之和的分布趋于高斯分布。(2.15) 是一个具体例子。(详见附录 C6。)

"尖锐"到什么程度? 取 N=1020N = 10^{20},问 nn 偏离 N/2N/2 达 10−5N=101510^{-5}N = 10^{15} 的概率:由 (2.15),它正比于 exp⁡(−2×1030/1020)=e−2×1010\exp(-2\times10^{30}/10^{20}) = e^{-2\times10^{10}}——小到在宇宙年龄内也看不到一次。

物理图像

(1) 宏观态有一个由"微观态数目最多"决定的、极其尖锐的最可几值;(2) 相对涨落 ∝N−1/2\propto N^{-1/2};(3) 在宏观尺度上,我们观察到的"平衡态"就是这个最可几的宏观态。第3章将把这个图像变成统计力学的基本原理。

§2.5量子力学中的微观态与态密度

在量子力学中,孤立系统的一个微观态就是一个定态(能量本征态),由一组量子数标记。统计力学把系统的能谱 {Ei}\lbrace E_i\rbrace 当作输入。最基本的例子是盒中粒子。

盒中粒子

(详见 §P2.2) 质量为 mm 的粒子在长度为 LL 的一维无限深势阱中,定态薛定谔方程为 −ℏ22mψ′′=εψ-\frac{\hbar^2}{2m}\psi'' = \varepsilon\psi(0<x<L0<x<L),边界条件 ψ(0)=ψ(L)=0\psi(0) = \psi(L) = 0。令 K=2mε/ℏK = \sqrt{2m\varepsilon}/\hbar,通解 ψ=Asin⁡Kx+Bcos⁡Kx\psi = A\sin Kx + B\cos Kx;ψ(0)=0\psi(0) = 0 给出 B=0B = 0;ψ(L)=0\psi(L) = 0 给出 KL=nπKL = n\pi,n=1,2,3,…n = 1,2,3,\dots(n=0n=0 给出零解,负的 nn 与正的 nn 是同一个态)。

εn=π2ℏ22mL2 n2,n=1,2,3,…(2.16)\varepsilon_n = \frac{\pi^2\hbar^2}{2mL^2}\,n^2,\qquad n = 1,2,3,\dots \tag{2.16}

三维立方盒(体积 V=L3V = L^3)中,分离变量后能量为三个方向之和:

εnxnynz=π2ℏ22mL2(nx2+ny2+nz2),nx,ny,nz=1,2,3,…(2.17)\varepsilon_{n_x n_y n_z} = \frac{\pi^2\hbar^2}{2mL^2}\left(n_x^2 + n_y^2 + n_z^2\right),\qquad n_x,n_y,n_z = 1,2,3,\dots \tag{2.17}

能级有多密? 对 N2\mathrm{N_2} 分子(m≈4.65×10−26m\approx4.65\times10^{-26} kg)、L=1L = 1 cm:π2ℏ2/(2mL2)≈1.2×10−38\pi^2\hbar^2/(2mL^2)\approx1.2\times10^{-38} J,而室温下 kBT≈4.1×10−21k_{\mathrm B}T\approx4.1\times10^{-21} J,二者之比约 3×10−183\times10^{-18}。能级几乎是连续的,可以用"态密度"描述。

数态。能量不超过 ε\varepsilon 的单粒子态,对应于 (nx,ny,nz)(n_x,n_y,n_z) 空间中坐标都是正整数、且落在半径 R=L2mε/(πℏ)R = L\sqrt{2m\varepsilon}/(\pi\hbar) 的球内的格点。每个格点占据单位体积,R≫1R\gg1 时格点数近似等于这个球在第一卦限部分(球的 1/8)的体积:

Φ1(ε)≈18⋅4π3R3=4π3⋅V(2mε)3/28π3ℏ3=4πV3h3(2mε)3/2(2.18)\Phi_1(\varepsilon)\approx\frac18\cdot\frac{4\pi}{3}R^3 = \frac{4\pi}{3}\cdot\frac{V(2m\varepsilon)^{3/2}}{8\pi^3\hbar^3} = \frac{4\pi V}{3h^3}(2m\varepsilon)^{3/2} \tag{2.18}

(用了 8π3ℏ3=h38\pi^3\hbar^3 = h^3。)对 ε\varepsilon 求导得到态密度,即单位能量间隔内的状态数:

g(ε)=dΦ1dε=2πVh3(2m)3/2ε1/2(2.19)g(\varepsilon) = \frac{d\Phi_1}{d\varepsilon} = \frac{2\pi V}{h^3}(2m)^{3/2}\varepsilon^{1/2} \tag{2.19}

若粒子有自旋简并度 gsg_s,以上两式都要乘以 gsg_s。

相空间诠释。令 p=2mεp = \sqrt{2m\varepsilon},(2.18) 可写成 Φ1=V⋅4π3p3/h3\Phi_1 = V\cdot\frac{4\pi}{3}p^3\big/h^3:分子是"坐标空间体积 × 动量空间中半径为 pp 的球的体积",即相空间体积。因此

单粒子量子态数≈1h3∫d3x d3p(2.20)\text{单粒子量子态数} \approx \frac{1}{h^3}\int d^3x\,d^3p \tag{2.20}

即每个量子态在 (x,p)(x,p) 相空间中占据体积 h3h^3(每个自由度占 hh)。若改用周期性边界条件,px=2πℏnx/Lp_x = 2\pi\hbar n_x/L(nxn_x 取一切整数),每个态在动量空间占 (2πℏ/L)3=h3/V(2\pi\hbar/L)^3 = h^3/V,结论相同。

§2.6经典力学中的微观态:相空间与刘维尔定理

经典力学中,ff 个自由度的系统(NN 个粒子时 f=3Nf = 3N)的微观态由广义坐标 q1,…,qfq_1,\dots,q_f 和广义动量 p1,…,pfp_1,\dots,p_f 完全确定,即 2f2f 维相空间中的一个点。(这里的 qiq_i 是坐标,不要与后文的粒子配分函数 qq 混淆。)运动由哈密顿量 H(q,p)\mathcal H(q,p) 通过哈密顿方程决定:

q˙i=∂H∂pi,p˙i=−∂H∂qi(2.21)\dot q_i = \frac{\partial\mathcal H}{\partial p_i},\qquad \dot p_i = -\frac{\partial\mathcal H}{\partial q_i} \tag{2.21}

例如单个粒子 H=p2/2m+U(q)\mathcal H = p^2/2m + U(q):q˙=p/m\dot q = p/m,p˙=−∂U/∂q\dot p = -\partial U/\partial q,正是牛顿第二定律。

刘维尔定理。设想大量的系统副本("系综",§2.7)散布在相空间中,其密度为 ρ(q,p,t)\rho(q,p,t)。副本既不产生也不消失,因此 ρ\rho 满足连续性方程:

散度与连续性方程

若某种"物质"以密度 ρ\rho、速度场 v\mathbf v 流动且总量守恒,则 ∂ρ/∂t+∇⋅(ρv)=0\partial\rho/\partial t + \nabla\cdot(\rho\mathbf v) = 0。这里的"空间"是 2f2f 维相空间,"速度"是 (q˙1,…,q˙f,p˙1,…,p˙f)(\dot q_1,\dots,\dot q_f,\dot p_1,\dots,\dot p_f)。(详见 §A11.2–§A11.3。)

∂ρ∂t+∑i=1f[∂(ρq˙i)∂qi+∂(ρp˙i)∂pi]=0\frac{\partial\rho}{\partial t} + \sum_{i=1}^f\left[\frac{\partial(\rho\dot q_i)}{\partial q_i} + \frac{\partial(\rho\dot p_i)}{\partial p_i}\right] = 0

用乘积求导法则展开,并代入 (2.21):

∂ρ∂t+∑i[q˙i∂ρ∂qi+p˙i∂ρ∂pi]+ρ∑i[∂2H∂qi∂pi−∂2H∂pi∂qi]=0\frac{\partial\rho}{\partial t} + \sum_i\left[\dot q_i\frac{\partial\rho}{\partial q_i} + \dot p_i\frac{\partial\rho}{\partial p_i}\right] + \rho\sum_i\left[\frac{\partial^2\mathcal H}{\partial q_i\partial p_i} - \frac{\partial^2\mathcal H}{\partial p_i\partial q_i}\right] = 0

最后一项由于混合偏导数相等而为零。前两项之和正是沿运动轨道的全导数,因此

dρdt≡∂ρ∂t+∑i[q˙i∂ρ∂qi+p˙i∂ρ∂pi]=0(2.22)\frac{d\rho}{dt} \equiv \frac{\partial\rho}{\partial t} + \sum_i\left[\dot q_i\frac{\partial\rho}{\partial q_i} + \dot p_i\frac{\partial\rho}{\partial p_i}\right] = 0 \tag{2.22}

这就是刘维尔定理:相空间"流体"不可压缩,跟随轨道运动时密度不变。

推论:若 ρ\rho 只通过 H\mathcal H 依赖于 (q,p)(q,p),即 ρ=ρ(H(q,p))\rho = \rho(\mathcal H(q,p)),则 ∑i[q˙i ∂ρ/∂qi+p˙i ∂ρ/∂pi]=ρ′(H)∑i[∂H∂pi∂H∂qi−∂H∂qi∂H∂pi]=0\sum_i[\dot q_i\,\partial\rho/\partial q_i + \dot p_i\,\partial\rho/\partial p_i] = \rho'(\mathcal H)\sum_i\left[\frac{\partial\mathcal H}{\partial p_i}\frac{\partial\mathcal H}{\partial q_i} - \frac{\partial\mathcal H}{\partial q_i}\frac{\partial\mathcal H}{\partial p_i}\right] = 0,由 (2.22) 得 ∂ρ/∂t=0\partial\rho/\partial t = 0:任何只依赖于能量的分布都不随时间变化。第3、4章的平衡系综正是这样的分布。

经典的数态规则。综合 (2.20) 与全同粒子的考虑,NN 个全同粒子组成的系统中,能量在 [E,E+δE][E,E+\delta E] 内的微观态数为

Ω(E)=1N! h3N∫E≤H≤E+δEd3Nr d3Np(2.23)\Omega(E) = \frac{1}{N!\,h^{3N}}\int_{E\le\mathcal H\le E+\delta E}d^{3N}r\,d^{3N}p \tag{2.23}

其中 h3Nh^{3N} 来自"每个量子态占相空间体积 hh(每个自由度)";1/N!1/N! 来自全同粒子的不可区分性——它的必要性将在 §3.7(吉布斯佯谬)中看到,其量子力学根源在 §8.6 中说明。

§2.7系综与统计平均

吉布斯提出:设想大量"思想上的副本",它们的宏观条件与我们的系统完全相同(如相同的 N,V,EN,V,E 或相同的 N,V,TN,V,T),但处于各种可能的微观态。这个副本的集合称为系综。系综由各微观态的概率 PiP_i(量子)或相空间概率密度 ρ(q,p)\rho(q,p)(经典)刻画;宏观量是相应微观量的系综平均:

⟨A⟩=∑iPiAi或⟨A⟩=∫ρ(q,p) A(q,p) dΓ(2.24)\langle A\rangle = \sum_i P_iA_i\qquad\text{或}\qquad\langle A\rangle = \int\rho(q,p)\,A(q,p)\,d\Gamma \tag{2.24}

(dΓd\Gamma 为相空间体积元。)

实际测量是对单个系统做时间平均。"时间平均等于系综平均"称为各态历经假设。它在一般情形下未被证明,但对宏观系统的宏观量,由它得出的结论已被大量实验证实。我们采取实用的立场:把系综平均作为理论的出发点,用理论预言与实验的符合来检验它。

平衡系综必须不随时间变化。由 §2.6 的推论,只依赖于能量(以及其他守恒量)的分布满足这一要求。下面几章讨论三种最重要的平衡系综:

系综系统所处的环境固定的宏观量概率分布对应的热力学势
微正则孤立E,V,NE, V, NPi=1/ΩP_i = 1/\OmegaS=kBln⁡ΩS = k_{\mathrm B}\ln\Omega
正则与热源接触T,V,NT, V, NPi∝e−βEiP_i\propto e^{-\beta E_i}F=−kBTln⁡ZF = -k_{\mathrm B}T\ln Z
巨正则与热源、粒子源接触T,V,μT, V, \muPN,i∝e−β(EN,i−μN)P_{N,i}\propto e^{-\beta(E_{N,i}-\mu N)}J=−kBTln⁡ΞJ = -k_{\mathrm B}T\ln\Xi

自测题

  1. N=100N = 100 时,用 (2.1) 精确计算 P(60)/P(50)P(60)/P(50),并与高斯近似 (2.15) 比较。[答:精确值 0.1362;高斯近似 e−2=0.1353e^{-2} = 0.1353]
  2. 一维谐振子 H=p2/2m+mω2x2/2\mathcal H = p^2/2m + m\omega^2x^2/2。证明相空间中 H≤E\mathcal H\le E 的区域是面积为 2πE/ω2\pi E/\omega 的椭圆;按"每个态占面积 hh"估计,能量不超过 EE 的态数为 E/(ℏω)E/(\hbar\omega)。与量子力学能级 (n+12)ℏω(n+\frac12)\hbar\omega 比较。
  3. 用 (2.14) 与斯特林公式说明:nn 维单位球的体积在 n→∞n\to\infty 时趋于零。